一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统及方法

技术领域

本发明涉及排水技术领域，特指应用边缘计算技术进行流量反馈控制的蝶阀系统。

背景技术

边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求，该技术在给排水阀门控制领域还鲜有使用。

蝶阀又叫翻板阀，属于调节阀的范畴。工作方式为蝶板围绕阀轴旋转来调节开度，在管道上主要起切断和节流作用，可用于低压管道介质的流速调节。蝶阀结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省、安装尺寸小、驱动力矩小、操作简便、迅速，是近年来发展最快的阀门品种之一。阀门执行器用于控制蝶阀的开度，是自动控制系统中必不可少的一个重要组成部分。它的作用是接受控制器送来的控制信号，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构接受控制信号把它转换为驱动调节机构的输出。调节机构通过执行元件直接改变阀门开度，使管路流量满足预定的要求。在传统的阀门控制过程中，精准流量的反馈控制技术应用较少。

不同的阀门开度有不同的流量特性。快开流量特性，起初变化大，然后比较平缓。线性流量特性，是阀门的开度跟流量成正比。等自流量特性，跟快开式的相反，是起初变化小，然后比较大。造成了流量的精准控制很难通过调节一个蝶阀的开度而实现。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统，通过在套管内设置阀轴，阀轴上设置微调蝶板，转动装置分别驱动套管和阀轴从而实现在粗调的基础上进行精细调节流量；本发明还提供了一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统的精确控制方法，通过采用边缘技算服务器、联动采集控制设备和带信号输出的流量计对转动装置旋转方向和角度进行调节控制，实现精细调节。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统，包括反馈控制蝶阀、输配水管、带信号输出的流量计和信号传输线；所述反馈控制蝶阀和带信号输出的流量计均安装在输配水管上，反馈控制蝶阀和带信号输出的流量计之间通过信号传输线连通，信号传输线用于控制信号的传输和反馈。

上述方案中，所述反馈控制蝶阀与带信号输出的流量计的安装距离大于5倍的输配水管管径。

上述方案中，所述反馈控制蝶阀包括阀体、主蝶板、阀轴和套管；所述阀体内置套管，套管中间端与主蝶板固定连接，套管一端安装在转动装置上，通过转动装置转动能够带动主蝶板随套筒一起转动；所述阀轴穿过套管，阀轴上固定有微调蝶板，所述阀轴一端安装在转动装置上，通过转动装置转动能够带动微调蝶板随阀轴一起转动。

上述方案中，所述主蝶板的半径为R，微调蝶板半径r为(1/8～1/6)R；所述主蝶板与微调蝶板中心距大于微调蝶板直径。

上述方案中，所述转动装置包括第三主动锥齿轮、第四主动锥齿轮、第三从动锥齿轮、第四从动锥齿轮、第一自锁电机和第二自锁电机；

所述第一自锁电机带动第三主动锥齿轮，第三主动锥齿轮与第三从动锥齿轮啮合；所述第三从动锥齿轮驱动阀轴转动；

所述第二自锁电机带动第四主动锥齿轮，第四主动锥齿轮与第四从动锥齿轮啮合；所述第四从动锥齿轮驱动套管转动。

上述方案中，所述转动装置包括第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮、第一手摇杆、第二手摇杆、第一减速箱和第二减速箱；所述第一主动锥齿轮与第四从动锥齿轮啮合，通过第一手摇杆转动带动第一主动锥齿轮转动，所述第四从动锥齿轮驱动套管转动；所述第二主动锥齿轮与所述第三从动锥齿轮啮合，通过第二摇杆转动带动第二主动锥齿轮转动，所述第三从动锥齿轮驱动阀轴转动；所述第一手摇杆、第二手摇杆分别与第一减速箱和第二减速箱的输入端连接。

上述方案中，所述第三从动锥齿轮与第四从动锥齿轮之间设置有滚珠，其中，第四从动锥齿轮上设置有滚珠滑道；所述滚珠滑道用来安置滚珠。

上述方案中，还包括支撑架，所述支撑架通过阀体支撑，支撑架上设置有阀门执行器箱，所述阀门执行器箱内设置上位显示机；上位显示机用于显示“指令流量、反馈流量、实时开度、电量”。

上述方案中，还包括电控箱，所述电控箱内置采集控制设备和边缘计算服务器；采集控制设备分别与边缘计算服务器和带信号输出的流量计采用信号传输线连接并进行信号的交互。

应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统的精准控制方法，包括如下步骤：

S1：云端通过4G网络将流量指令传输至边缘计算服务器；

S2：带信号输出的流量计将实时的流量数据传输至采集控制设备，进行信号处理后传输至边缘计算服务器；

S3：边缘计算服务器将流量指令与实时流量数据进行边缘比对，判断二者之间的差值；根据差值，边缘计算服务器将阀门调整指令下发至采集控制设备；采集控制设备控制第二自锁电机的旋转方向和角度，进控制主蝶板的角度；

S4：带信号输出的流量计再将实时流量反馈至边缘计算服务器，再次对流量指令与实时流量数据进行边缘比对；根据差值，边缘计算服务器下发控制阀轴的指令，通过操作第一自锁电机进行流量的微调；

S5：多次循环S4，直至将实时流量数据调整为与流量指令相同，即可实现流量的精准反馈控制；

多次循环S4，当微调蝶板全开或者全闭时，仍无法将实时流量数据调整为与流量指令相同，则跳转至S3重新开始执行，直至实现流量的精准反馈控制。

有益效果：

1.本发明中反馈控制蝶阀与带信号输出的流量计的安装距离大于5倍的输配水管管径的目的在于消除蝶阀引起的旋转流和扰动对流量计精度的不良影响，防止反馈信号产生过多畸变，同时可以减少边缘计算的数据处理量，以期达到最佳的反馈控制效果。

2.本发明中通过在套管内设置阀轴，阀轴上设置微调蝶板，转动装置分别驱动套管和阀轴从而实现在粗调的基础上进行精细调节流量。

3.本发明中微调蝶板的半径为主蝶板半径的1/8～1/6，主蝶板与微调蝶板中心距大于微调蝶板直径，这样设置的目的在于：当对系统的流量精准度需求较高时，较小的蝶板可以更准确的控制流量；由于管道中心的流速较大，为了提高控制精度，应该微调蝶板中心偏移主蝶板中心点。

4.本发明中的转动装置包括电控和手动两种模式，手动模式是为了防止在没有电源的情况下不能调节反馈控制蝶阀，同时，本发明转动装置可以实现对套筒和阀轴分开调节控制，调节套管可以实现粗调，在粗调的基础上，通过调节阀轴调节微调蝶板可是实现精细调节。

5.本发明中采集控制设备分别与边缘计算服务器和带信号输出的流量计采用信号传输线连接并进行信号的交互，采集控制设备是反馈调节蝶阀中的控制部件，通过采集控制设备控制第二自锁电机和第一自锁电机的旋转方向和角度从而调节流量，带信号输出的流量计再将实时流量反馈至边缘计算服务器，再次对流量指令与实时流量数据进行边缘比对，从而实现了精细流量调节。

6.本发明中设置电子显示器和指针盘的目的是为了直观清晰的读取系统运行实时参数和流量控制的反馈值变化过程。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统示意图；

图2为图1中涉及到的反馈控制蝶阀剖面图；

图3为图2中涉及到的支撑架结构示意图；

图4为图2中涉及到的阀体的剖面图；

图5为主阀板、套轴、阀轴和微调蝶板的结构示意图；

图6为转动装置的结构示意图；

图7为图6中涉及到的第三从动锥齿轮和第四从动锥齿轮的结构示意图；

图8为电控箱的结构示意图；

图9为电池箱结构示意图；

图10为指针盘示意图。

附图标记：

1-反馈控制蝶阀；4-带信号输出的流量计；8-信号传输线；11-支撑架；12-阀体；14-阀轴；15-主蝶板；16-套管；17-阀门执行器箱；18-上位显示器；19-电控箱；193-采集控制设备；192-边缘计算服务器；88-微调蝶板；177-第三从动锥齿轮；176-第四从动锥齿轮；1711-第一手摇杆；1712-第二手摇杆；1721-第一减速箱；1722-第二减速箱；1731-第一主动锥齿轮；1732-第二主动锥齿轮；1733-第三主动锥齿轮；1734-第四主动锥齿轮；1741-第一自锁电机；1742-第二自锁电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统，包括反馈控制蝶阀1、输配水管、带信号输出的流量计4和信号传输线8；所述反馈控制蝶阀1和带信号输出的流量计4均安装在输配水管上，反馈控制蝶阀1和带信号输出的流量计4之间通过信号传输线8连通，信号传输线8用于控制信号的传输和反馈。

上述方案中，所述反馈控制蝶阀1与带信号输出的流量计4的安装距离大于5倍的输配水管管径。

上述方案中，所述反馈控制蝶阀1包括阀体12、主蝶板15、阀轴14和套管16；所述阀体12内置套管16，套管16中间端与主蝶板15固定连接，套管16一端安装在转动装置上，通过转动装置转动能够带动主蝶板15随套筒16一起转动；所述阀轴14穿过套管16，阀轴14上固定有微调蝶板88，所述阀轴14一端安装在转动装置上，通过转动装置转动能够带动微调蝶板88随阀轴14一起转动。

上述方案中，所述主蝶板15的半径为R，微调蝶板88半径r为1/8～1/6R；所述主蝶板15与微调蝶板88中心距大于微调蝶板88直径。

上述方案中，所述转动装置包括第三主动锥齿轮1733、第四主动锥齿轮1734、第三从动锥齿轮177、第四从动锥齿轮176、第一自锁电机1741和第二自锁电机1742；

所述第一自锁电机1741带动第三主动锥齿轮1733，第三主动锥齿轮1733与第三从动锥齿轮177啮合；所述第三从动锥齿轮177驱动阀轴14转动；

所述第二自锁电机1742带动第四主动锥齿轮1734，第四主动锥齿轮1734与第四从动锥齿轮176啮合；所述第四从动锥齿轮176驱动套管16转动。

上述方案中，所述转动装置包括第一主动锥齿轮1731、第二主动锥齿轮1732、第一手摇杆1711、第二手摇杆1712、第一减速箱1721和第二减速箱1722；所述第一主动锥齿轮1731与第四从动锥齿轮176啮合，通过第一手摇杆1711转动带动第一主动锥齿轮1731转动，所述第四从动锥齿轮176驱动套管16转动；所述第二主动锥齿轮1731与所述第三从动锥齿轮177啮合，通过第二摇杆1712转动带动第二主动锥齿轮1731转动，所述第三从动锥齿轮177驱动阀轴14转动；所述第一手摇杆1711、第二手摇杆1712分别与第一减速箱1721和第二减速箱1722的输入端连接。

上述方案中，所述第三从动锥齿轮177与第四从动锥齿轮176之间设置有滚珠175，其中，第四从动锥齿轮176上设置有滚珠滑道；所述滚珠滑道用来安置滚珠175。

上述方案中，还包括支撑架11，所述支撑架11通过阀体12支撑，支撑架11上设置有阀门执行器箱17，所述阀门执行器箱17内设置上位显示机18；上位显示机18用于显示“指令流量、反馈流量、实时开度、电量”。

上述方案中，还包括电控箱19，所述电控箱19内置采集控制设备193和边缘计算服务器192；采集控制设备193分别与边缘计算服务器192和带信号输出的流量计4采用信号传输线8连接并进行信号的交互。

一种应用边缘计算的反馈控制蝶阀系统，反馈控制蝶阀1、第一输配水管2、第二输配水管3、带信号输出的流量计4、第三输配水管5、太阳能取电设备6、双绞线7和信号传输线8；安装方式为：反馈控制蝶阀1通过法兰安装于第一输配水管2和第二输配水管3之间，带信号输出的流量计4通过法兰安装于第二输配水管3和第三输配水管5之间，二者的安装距离大于第一输配水管2的5倍管径；太阳能取电设备6固定于反馈控制蝶阀1附近，并通过双绞线7为反馈控制蝶阀1和带信号输出的流量计4持续供电；反馈控制蝶阀1和带信号输出的流量计4之间通过信号传输线8进行连接，用于控制信号的传输和反馈。

反馈控制蝶阀1包括支撑架11、阀体12、滚子轴承113、阀轴14、微调蝶板88、主蝶板15、套管16、阀门执行器17、上位显示机18、电控箱19和盖板20。其中，主蝶板15穿过套管16并与之焊接；阀轴14和微调蝶板88，阀轴14贯穿套管16并与微调蝶板88进行焊接；套管16贯穿阀体12，使用滚子轴承113固定，并穿过支撑架11插入阀门执行器箱17内；支撑架11使用螺栓连接方式，将阀门执行器箱17固定于阀体12上；电控箱19安装于阀门执行器箱17内部，通过螺栓使用盖板20与阀门执行器箱17进行固定和密封；上位显示机18安装于阀门执行器箱17外缘，并与边缘计算服务器192连接，用于显示“指令流量、反馈流量、实时开度、电量”；盖板20顶端安装有指针盘202，并与边缘计算服务器192连接，内部安装两个指针，分别为指令指针201和反馈指针202，可以直观的读取两者之间的误差变化。

支撑架11包括滚子轴承2111、支撑架固定孔112和角铁113。支撑架的顶板和底板中心均内嵌滚子轴承2111，同时二者均开有支撑架固定孔112，并通过角铁113进行对中焊接。

阀体12包括滚子轴承槽121，聚四氟乙烯密封圈122，阀体外固定孔1231，阀体内固定孔1232和法兰124。在阀体纵向开口处均设计有滚子轴承槽121，用于安装轴承；在阀体12内部固定有聚四氟乙烯密封圈122，用于流道的密封；阀体12顶端焊接有法兰124，用于与支撑架11的连接；阀体12上下端开有阀体内固定孔1232，用于阀体12与输配水管12，输配水管23的固定；阀体12外缘开有多个阀体外固定孔1231，在节省材料的同时用于阀体12的辅助固定。

阀门执行器箱17内部安装有转动控制装置，包括第一手摇杆1711，第二手摇杆1712，第一减速箱1721，第二减速箱1722，第一主动锥齿轮1731，第二主动锥齿轮1732，第三主动锥齿轮1733，第四主动锥齿轮1734，第一自锁电机1741，第二自锁电机1742和双层齿轮组成。第一手摇杆1711一端通过第一减速箱1721与第一主动锥齿轮1731进行连接，另一端贯穿阀门执行器箱17延伸至箱体外。第一自锁电机1741输出轴安装有第二主动锥齿轮1732。同理，第二手摇杆1712、第二减速箱1722、第三主动锥齿轮1733、第二自锁电机1742和第四主动锥齿轮1734安装方式与上相同。另外，第一主动锥齿轮1731和第四主动锥齿轮1734与第四从动锥齿轮176啮合，第二主动锥齿轮1732、第三主动锥齿轮1733与第三从动锥齿轮177啮合。

双层齿轮由滚珠175、第四从动锥齿轮176和第三从动锥齿轮177组成。第三从动锥齿轮177下表面和第四从动锥齿轮176上表面开有相同半径的圆形滚珠槽；滚珠175安装于滚珠槽内，滚珠175半径满足第四从动锥齿轮176和第三从动锥齿轮177间隙为1mm的同时略小于滚珠槽的纵切面半径。

电控箱19内部安装有电池箱191，采集控制设备箱193，边缘计算服务器箱192。以上三个设备均固定于电控箱19的箱体底板1912；电池箱19与外部的太阳能取电设备6使用双绞线7连接，同时采用双绞线7为采集控制设备箱193和边缘计算服务器箱192供电；采集控制设备箱193与边缘计算服务器箱193采用信号传输线8连接并进行信号的交互；采集控制设备箱193与带信号输出的流量计4通过信号传输线8连接，采集输配水管12的实时流量。

电池箱191，采集控制设备箱193，边缘计算服务器箱192有相同的箱体结构，该结构包括下箱体1911，箱体底板1912，引线孔1913，内部设备1914，拆卸扶手1915，上箱体1916。下箱体1911外缘开有凹槽，上箱体1916内表面有凸起，二者进行配合对箱体进行固定和密封；上箱体1916外缘安装有两个拆卸扶手1915，用于箱体的开合，方便内部设备1914的维护和维修。

本发明中，套管16两端通过滚子轴承支撑，阀轴14与两端的套管16过渡或者间隙配合。

本发明的另一个目的在于提供一种应用边缘计算对流量进行精准控制的方法，

S1：云端通过4G网络将流量指令传输至边缘计算服务器192；

S2：带信号输出的流量计4将实时的流量数据传输至采集控制设备193，进行信号处理后传输至边缘计算服务器192；

S3：边缘计算服务器192将流量指令与实时流量数据进行边缘比对，判断二者之间的差值。根据差值，边缘计算服务器192将阀门调整指令下发至采集控制设备193。采集控制设备193控制第二自锁电机1742的旋转方向和角度，进控制主蝶板15的角度；

S4：带信号输出的流量计4再将实时流量反馈至边缘计算服务器192，再次对流量指令与实时流量数据进行边缘比对；根据差值，边缘计算服务器192下发控制阀轴14和微调蝶板88的指令，通过操作第一自锁电机1741进行流量的微调；

S5：多次循环S4，直至将实时流量数据调整为与流量指令相同，即可实现流量的精准反馈控制。

多次循环S4，当阀轴14和微调蝶板88全开或者全闭时，仍无法将实时流量数据调整为与流量指令相同，则跳转至S3重新开始执行，直至实现流量的精准反馈控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。